华南理工周奕彤课题模仿染色体，造出可编程结构的高负载人造肌肉

让软体机器人既拥有大变形能力，又具备强劲的负载力，一直是科学家们头痛的难题。这背后，是传统人造肌肉结构中的一道“先天枷锁”：要想变形大，结构就得松；要想力气大，结构就得紧。

最近，华南理工大学周奕彤课题组（课题组网站：http://www.zhouyitonglab.com/index.html）从生命最精密的的“压缩程序”染色体身上找到了关键灵感。他们模仿染色体多层次螺旋折叠的结构，在单根聚合物纤维中，首次实现了可编程的多级螺旋结构，一举突破了人造肌肉中“大变形”与“高负载”不可兼得的经典困境。这项突破性研究于近期已发表在材料科学知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

▍灵感来源：生命自带的“压缩算法”

为什么染色体能成为灵感源泉？想象一下，长达数米的DNA链如何有序地折叠进微米级的细胞核里？答案就是多层次螺旋结构。染色体通过一级又一级的螺旋折叠，在实现万倍以上压缩的同时，保持了结构的稳定和特定部分的快速解旋读取能力。这种在极致紧凑与按需存取之间取得的平衡，正是高效人造驱动系统所追求的终极目标。

研究团队思考：能否将这种精妙的“结构编程”思想，应用到人造肌肉上？于是，他们开始尝试在一根纤维里，构筑类似的“螺旋套螺旋”的层级世界。

▍编程一根纤维：三级螺旋，可控变形

研究团队选用常见的银涂层尼龙纤维作为“画布”，通过精确控制扭转、盘绕和热处理，像编写程序一样，在纤维内部构建出不同层级的螺旋结构。

一级螺旋：就像把一根绳子拧成一股麻花再盘成弹簧，这是传统人造肌肉的基本形态。

二级螺旋：把一根已经盘好的弹簧作为新绳索，再次盘绕成更大的弹簧，结构立刻复杂起来。

三级螺旋：将二级结构进行第三次盘绕，形成极其复杂的“弹簧的弹簧的弹簧”。

这种“俄罗斯套娃”结构的神奇之处不止于此，真正的编程在于控制每一级螺旋的盘绕方向。就像螺丝有左旋右旋，每一级螺旋的旋向组合，决定了肌肉最终的变形行为。

研究团队首次在单根纤维内，实现了从一级到三级的螺旋结构，并精确控制了各级的手性。

本研究中，在一个三级螺旋结构内，他们就成功组合出4种不同的手性模式，分别为PPP（同手性）、PPN、PNP和PNN。不同的手性组合，决定了纤维在受热（电热驱动）时的变化，有的整体收缩，有的整体伸长，更有趣的是，有的在收缩的同时径向变细。

这意味着，同一根纤维，可以通过结构编程，拥有收缩、伸长、扭转、径向变形等多种复杂的变形模式。

▍性能突破：“鱼”与“熊掌”终于兼得

这种仿生设计带来了前所未有的性能表现。

首先，它打破了经典的“力与形”权衡魔咒。

传统的一阶螺旋肌肉在收缩一半时，负载能力只有0.4 MPa。而新开发的二阶螺旋肌肉在同样收缩幅度下，负载能力飙升至3.6MPa，提升了整整9倍。同时，它的最大收缩幅度高达88.1%，丝毫不逊色。这意味着，它既能像橡皮筋一样大幅收缩，又能像钢缆一样提起重物。

其次，变形能力达到新极端。

对于需要模拟肌肉拉伸的场景，研究团队编程出“异手性”结构。其中，二阶螺旋肌肉的最大伸长率达到了惊人的860.7%。什么概念？就是说1厘米的材料可以拉长到9.6厘米以上。而三阶肌肉在无负载时，自由收缩率也轻松突破85%。

再者，它又快又耐用。

在快速电脉冲驱动下，这种肌肉响应迅速，功率密度高。研究数据显示，在一般负重下（0.8 MPa），传统结构肌肉的收缩速度要快上大约16%，好比短跑起步更快。然而，当负重增加到原来的5倍时（4 MPa），情况发生了逆转：新型的二级螺旋肌肉后劲更足，反超了对手。这说明它的复杂结构在高压环境下，能更聪明地消化内部摩擦和应力，表现得更稳健。

它不仅有力，还具备持久的耐性。二级螺旋肌肉挂着20克重物，以每分钟2-3次的频率，连续收缩伸展了1000次，其动作幅度波动始终未超过1%，稳定性极高。更神奇的是，即便它曾被50克的重物反复“锻炼”过，当重量减轻回5克后，它的形态也恢复了97.5%。

这证明它的“疲劳”主要是一种可逆的、类似橡皮筋用久后暂时的松弛，而不是永久性的内部损伤，因此拥有很长的使用寿命。

▍从纤维到机器人：一场编程驱动的变形秀

为了直观展示这种可编程肌肉的强大，团队进行了几个令人印象深刻的演示。

• 单纤维驱动的仿生肘关节

研究团队在一根肌肉上，一段编程为受热收缩（同手性），另一段编程为受热伸长（异手性）。然后将这根纤维像真正的肱二头肌和肱三头肌一样，分别固定在仿生臂的内外侧。

通电后，这根“二合一”的肌肉独立工作又完美协同，带动机械臂流畅地完成了超过116度的弯曲。一根纤维，就替代了整个复杂的拮抗肌驱动系统。

• 像蚯蚓一样蠕动的机器人

通过在单根肌肉上交替编码收缩段和伸长段，研究团队制造了一条软体蠕虫。

在热刺激下，伸长段向前探出，收缩段随后强力拉动身体，结合螺旋结构产生的摩擦，机器人成功在狭窄的玻璃管中实现了前进。这为未来开发用于管道检查或体内送药的微型机器人提供了全新思路。

• 抓握更聪明的仿生软手指

更进一步，研究团队在同一根肌肉的不同位置，编码了结构简单的一阶段和结构复杂的二阶段。一阶段更柔软、响应快，二阶段更刚硬、力量大。用这种混合编程肌肉驱动的软体手指，在抓握时能自动产生更自然的弯曲梯度，更灵巧地包裹住物体，适应性远超均匀结构的手指。

基于此，团队还开发了功能完整的仿生机械手系统，能稳定抓取直径25-65毫米、重量5-57克的各种物体。

▍未来：机器人设计或将进入“纤维编程”时代

这项研究的深远意义，在于它提供了一种全新的软体机器人设计与驱动范式。

传统方法中，要实现复杂动作，需要组合多个驱动器、设计复杂的机械结构或编写繁复的控制算法。而现在，科学家证明，通过在一根纤维的内部结构上进行“几何编程”，预先定义好不同区段的变形模式和力学性能，就能用最简洁的单元，实现最丰富的功能。

未来，工程师或许可以像编写软件程序一样，设计和打印出具有特定运动功能的肌肉纤维，再将它们像编织布料一样集成起来，快速构建出能适应各种任务的软体机器人。从深海探测的仿生鱼鳍，到医疗康复的轻柔外骨骼，再到探索外星地形的自适应车轮，可能性的大门正被这项源自染色体智慧的技术缓缓推开。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.5c19885